许志洋，丁丹，赵美云

基于逆向工程技术三维实体建模与加工的研究

许志洋1，丁丹2，赵美云1

（1.铜陵职业技术学院，安徽 铜陵 244000；2.安徽省地质矿产勘查局321地质队，安徽 铜陵 244000）

：逆向工程技术因其能重构实物特征方面的优势而广泛的应用于机械制造、医疗器械等行业，但是对三维逆向建模没有形成统一有效的建模方法，特别是曲面较多的零件建模精度不理想，偏差大，在机械制造过程中难以保证其质量。为此提出了一种贴片建模的方法，经过精度比对效果较好；同时对于难以装夹零件的加工也是机械制造中棘手的问题，本文提出一种落料加工法，经过验证能满足加工要求，因此，研究逆向建模是十分有意义的，为从事逆向工程技术人员提供参考。

三维扫描；逆向建模；DesignX；UG

逆向工程作为一种能迅速提升产品质量的手段越来越多的应用到工业生产中来。本文以逆向设计及加工中遇到的实际问题为研究对象，提出了一种采用贴片技术建模的方法，经过验证效果比较理想，同时对采用三坐标机床加工曲面零件时出现的难装夹问题进行了研究，提出了采用落料加工的方法，经验证方法可行[1]。

1 设备搭建和标定

按照接口协议安装好三维扫描仪并调整到合适高度，如图1所示。打开三维扫描仪，开启wrap软件，根据十字光标投影到标定板上的重合情况来调整扫描仪的高度和仰角，调整后扫描镜头距离标定板高度范围在600 mm左右。然后，按照标定流程对三维扫描仪进行精度标定。如图2所示，精度等级达到0.019。

图1 扫描仪安装

图2 扫描仪精度标定

2 三维数据采集

三维数据采集是逆向工程实体建模的关键。为获取完整的点云数据，可采用自动拼接和手动拼接两种

方法；基于点云自动拼接的数据采集是通过测站间重叠区域的多个标志点坐标变换参数旋转矩阵和平移矩阵将各测站点云数据统一到一个全局坐标系下完成点云拼接的方法，自动拼接法主要应用于形状规则的实体扫描，如图3所示正方体，先在一个侧面贴上至少4个圆形标志点，要求不共线，操作过程中借助转盘进行0～360°范围扫描，以便获得上5个面的点云，然后上下反转180°，进行下底面数据采集并实现自动拼接，扫描时先抓住侧面4个标志点，这是实现自动拼接的关键，系统自动进行全局坐标系变换，否则就会拼接失败。手动拼接法是通过不同扫描视图上公共特征点进行坐标定位，把点云数据通过平移和旋转后进行拼合，从而方便快速地实现了2个不存在明确关系的点云视图之间的准确定位。主要应用于形状不规则侧面难以贴标志点的情况；通常是对零件上下曲面分别扫描，然后根据上下曲面公共点进行手动拼接，全局注册、合并点云为完整的点云。如本例金鱼的数据点采集方法，先借助旋转台采集上表点云面数据如图4所示，再采集下表面点云数据如图5所示。

图3 正方体贴点

图4 金鱼上面扫描点云

图5 金鱼底面扫描点云

3 点云处理

对点云数据的处理是逆向建模的核心，而点云数据是通过实物表面数字化获得的一系列的三维空间坐标点的集合，对点云处理的干净与否，直接关系到后期模型重构的质量。

对点云处理的包括删除杂点和点云拼接。删除杂点主要是使用软件的套索功能手动去除。为了获得完整点云，需要对上下点云进行拼接，拼接方法主要有两种：一手动拼接法，二是由刘飞等提出的基于遗传算法的点云数据拼合。手动拼接法主要是利用公共特征点重合的原理，选择固定窗口金鱼上表面的1, 2, 3三点，如图6所示；对应下表面浮动窗口1’，2’，3’三点，如图7所示，对应点重合并全局注册，如图8所示。遗传算法[2-5]的求解过程如下：

图6 金鱼上表面杂点清除

图7 金鱼底面杂点清除

图8 金鱼正反面点云拼接

（4）再令

4 点云的面片封装

点云处理好之后，要对其实施封装、漏洞填补、表面光顺处理等操作，如图9所示，封装表面处理的好坏直接影响到逆向实体建模精度。目前采用NURBS曲面建模的效果最好[6]，表面光顺，误差小。采用样条曲线的拟合算法，阶次取3次，其算法如下：

曲面方程：

封装后的NURBS曲面效果如图9所示。

5 实体建模

逆向工程最终是要建立三维实体，复原原有参数信息。先将封装后的三角面片导入到Design X中找正对齐，建立坐标系，如图10所示。

领域划分，通常的做法根据曲率半径的不同采用自动分割的方法，但是考虑到金鱼躯干部分鳞片较多，曲率半径各不相同，自动分割法领域多而杂，很难进行逆向建模，本文采取人为划分区域的方法，根据金鱼的特点划分成多块区域，如图11所示。

三维实体建，先选择一块领域，采用区域放样命令拟合曲面，其他区域采用同样方法，将鱼的表面贴成面片，如图12所示；然后将面片尺寸放大,面片之间采用空间样条曲线修剪，然后曲面连接，最后缝合成实体如图13所示。

图9 金鱼点云封装三角面片

图10 逆向软件中金鱼位置找正

图11 金鱼的领域分割

图12 金鱼表面贴片

6 实体加工

采用三坐标数控铣床对于曲面三维实体进行加工，其难点是反面加工时如何对零件进行装夹，通常采用的方法是增设工艺凸台，如图14所示。这种方法能解决三坐标数控铣床进行零件反面加工时零件装夹的难题，但是加工后的凸台会留在零件表面破坏了曲面的形状，即使后期采用钳工去除凸台修磨曲面也不能很好的反映真实的设计情况。为解决这个问题本文提出了一种新的加工方法即落料法：使用虎口钳装夹零件毛坯，进行正面加工，反面加工时同样采用虎口钳装夹，重点是限制加工区域，只选择所加工的曲面，加工范围限定在毛坯尺寸范围内，关键是加工深度设置少与最大分型面1mm用于与周围毛坯连接，如图15所示，粗加工之后进行再精加工，最后用直径较小的立铣刀沿轮廓周边切下零件，这种方法能很好的解决反面曲面加工的问题，在实际加工中取得较好的效果。

（1）粗加工，主轴转速3000r/min，进给速度1500mm/min，如图16所示，底面和侧面余量1mm，内外公差0.08mm，如图17所示，图18为粗加工仿真结果。

（2）半精加工，主轴转速4000r/min，进给速度1500 mm/min，如图19所示，底面和侧面余量为0.3 mm，内外公差为0.03 mm，如图20所示，图21为半精加工仿真结果。

图13 金鱼三维实体模型

图14 工艺凸台设计

图15 反面加工方法

图16 金鱼粗加工切削参数

图17 金鱼粗加工余量

图18 金鱼粗加工仿真效果

图19 金鱼半精加工切削参数

图20 金鱼半精加工加工余量

（3）精加工，主轴转速5000r/min，进给速度为650mm/min，如图22所示，加工余量为0mm，内外公差为0.03mm，如图23所示，图24为精加工仿真结果。

图21 金鱼半精加工效果

图22 金鱼精加工切削参数

图23 金鱼精加工加工余量

图24 金鱼精加工效果

（4）反面加工采用落料加工的方法，如图25所示。

图25 金鱼落料加工轨迹

7 结束语

（1）采用领域手动分割、面片拟合、实体缝合进行逆向三维建模的方法，能有效解决曲面形状较为复杂零件建模的问题，对获取曲面特征有重要意义。

（2）采用落料加工实体的方法，能够很好的解决三坐标机床加工曲面零件的装夹问题，对实际生产有指导作用。

[1] 张欣宇. 基于逆向工程的汽车外形设计方法的应用研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2008

[2] 李绪武，刘飞. 基于三维扫描工程建模胡面部整形点云数据处理方法研究[D]. 重庆：重庆大学

[3] Yu C Y, Lin C H, Yang Y H. Human body surface area database and estimation formula[J]. Burns, 2010, 36(5): 616-629

[4] 何正斌，田永瑞. 机载三维激光扫描点云非地面剔除算法[J]. 大地测量与地球动力学，2009, 29(4): 97-101

[5] 蔡敏，成思源，杨雪瑞，等. 基于Geomagic Studio特征建模技术研究[J]. 机床与液压，2014, 42(21): 142-145

[6] 王传涛，杨建玺，张洛平，等. 逆向工程中NURBS曲面重构技术[J]. 河南科技大学学报，2009, 30(2): 19-22

Research on three-dimensional solid modeling and machining based on reverse engineering technology

XU Zhi-yang1，DING Dan2，ZHAO Mei-yun1

(1.Tongling Polytechnic, Anhui Tongling 244000, China；2.No.321 Geological Team, Bureau of Geological and Mineral Exploration of Anhui Province, Anhui Tongling 244000, China)

Reverse engineering technology is widely used in machinery manufacturing, medical equipment and other industries because of its advantages in reconstructing physical characteristics. However, there is no unified and effective modeling method for reverse three-dimensional reverse modeling, especially for parts with more curved surfaces, the modeling accuracy is not ideal and the deviation is large, so it is difficult to guarantee the quality in the process of mechanical manufacturing. In this paper, a method of patch modeling is proposed, which has a better effect after precision comparison. At the same time, the machining of parts that are difficult to clamp is also a thorny problem in mechanical manufacturing. This paper proposes a blanking processing method, which can meet the processing requirements after verification. Therefore, it is very meaningful to study the reverse modeling, which provides a reference for reverse engineering technicians.

3D scanning；reverse modeling；DesignX；UG

2020-09-17

安徽省质量工程项目（2018mooc215）；安徽省质量工程项目（2018mooc548）；院级质量工程（tlpt2018TG009）

许志洋（1979-），男，安徽阜阳人，副教授，主要从事逆向设计与数控加工技术方面的研究，908818128@qq.com。

TH16;TH164

A

1007-984X(2021)01-0006-05